桩基础施工对临近地下结构稳定性的影响.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-104-工 程 技 术在城市建设过程中，近接施工难以避免，针对桩基施工对临近地下结构的稳定性影响程度进行分析具有重要意义1。同时，在既有建筑的类型划分中，既有隧道较为常见，因此，桩基施工对既有隧道的变形分析就十分重要。结合以往的研究成果，将分析过程划分为现状状态条件下分析和预测状态条件下的分析。应重视预测状态条件下的分析，即变形预测研究，徐利锋等2进行了既有隧道沉降预测分析。刘义等3通过变形预测评价了既有隧道的安全性。孙佳羽等4运用了拟合方法进行了既有隧道变形预测。综合上述，本文结合现场监测成果，从现有状态、预测状态条件出发，划分桩基施工对既有隧道稳定性的影响程度等级，以期为现场安全施工提供一定的理论依据。1 基本原理从变形分析角度对桩基础施工对临近地下结构的稳定性影响进行分析，结合各类监测项目的变形控制值，构建评价指标 X，即相应时刻的累计变形值与变形控制值（本文实例对应水平位移、竖向位移的控制值均是 20mm）的比值。根据评价指标 X 的构建原理，值越小越好，因此，构建桩基础施工对临近地下结构的稳定性影响分级，具体标准见表 1。表 1 稳定性影响分级标准稳定性影响等级 指标X的范围影响程度评价A级X0.6桩基施工对既有隧道的稳定性影响很有限，可进行正常桩基施工B级0.6X0.8桩基施工对既有隧道的稳定性有一定影响，可进行正常桩基施工，但应加强监测频率C级0.8X1.0桩基施工对既有隧道的稳定性的影响较大，须暂停桩基施工，并应加强监测频率及采取相应防治措施D级X1.0桩基施工对既有隧道的稳定性的影响很大，须暂停桩基施工，并立即启动应急预案分析步骤可划分为两步：以现有监测成果计算评价指标X，评价现有状态条件下的稳定性影响等级；对相应监测项目的变形数据进行预测，根据预测成果计算评价指标 X，评价预测状态条件下的稳定性影响等级。为对桩基础施工对临近地下结构的稳定性影响分级进行研究，还须构建变形预测模型5-6。SVR 非线性预测能力强，相应初步训练函数 f（x）如公式（1）所示。f（x）=w（x）+b （1）式中：w 为广义参数矩阵；（）为映射函数；b 为偏置矩阵。最小化预测风险的目标 R 如公式（2）所示。R=1/2|w|2+c （2）式中：c 为惩罚因子；w2为结构复杂度参数；为松弛因子。虽然 SVR 非线性预测能力强，但其参数 c 和参数 具随机性，进一步用生物地理学优化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）对两个参数进行寻优处理。将预测模型初步确定为 BBO-SVR，但为进一步提高预测精度，须利用混沌理论（Chao Theory，CT）补充预测 BBO-SVR。在 CT 的补充预测过程中，先计算混沌特征判别参数，当 大于 0 时，对预测误差进行相空间重构，计算 j节点与临近节点 j的距离特征参数 d 如公式（3）所示。minijjd=（3）当 d 值最小时，通过反推处理即可补充预测 BBO-SVR，最终变形预测模型为 BBO-SVR-CT。将预测效果评价指标确定为相对误差 R 及其均值 P，其值越小，说明预测精度越高。2 实例分析2.1 工程概况以天府站车场范围内站房配套项目为例，为满足现场交通需要，新建了一条城市主干道，受线路规划限制，道路拟采用桥梁进行通过，且此段与既有隧道段平行，平面位置关系如图 1 所示。据现场调查，既有隧道宽度 18.5m，高度 13.6m，用于日常交通，其埋深约 5.4m，属浅埋隧道。桥梁上部结构采用两跨 270 连续钢箱梁结构，且钢箱梁采用变截面特征，中支点梁高设计为 4.4m，主要分布于中支点前后 6m，后逐步渐变至两端，两端梁高 2.8m。桥梁下部基础采用桩基础，桩底位于既有隧道下。中部支座处的横断面示意如图 2 所示。根据勘察成果，项目地层主要为填土层、粉质黏土层、细砂层、夹卵石粉质黏土层和卵石层，各层有以下基本特征。1）填土层。该层位于地表，广泛分布，岩性多为黏性土，局部夹杂建渣，较为杂乱，结构松散，渗透性强，分布厚度0.8m3.1m。2）粉质黏土层。紫红色，可塑至硬塑状态，稍桩基础施工对临近地下结构稳定性的影响吴新宇（中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西 太原 030000）摘 要：为合理评价桩基施工对临近地下结构的稳定性影响程度，本文结合现场监测成果，从现有状态、预测状态条件出发，针对桩基施工对既有隧道稳定性的影响程度等级进行划分。分析结果表明：在现有状态条件下，竖向位移的 X 指标值为0.5580.737，水平位移的 X 指标值为0.6240.764。在预测状态条件下，竖向位移的 X 指标值为0.5700.750，水平位移的 X 指标值为0.6480.803。同时，通过对比，K2点位处的桩基施工对既有隧道的稳定性影响分级按 C 级进行防治，其余两点位按 B 级进行防治。通过本文研究，为类似工程积累了经验。关键词：桩基础；临近地下结构；既有隧道；变形预测中图分类号：P642文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-105-工 程 技 术湿，局部夹少量角砾，通常小于 5%，岩性多为砂岩，区内广泛分布，分布厚度 1.6m5.3m。3）细砂层。褐黄色，细粒感，湿，饱和，分布厚度 0.01.4m。4）夹卵石粉质黏土层。紫红色，可塑，稍湿，含有少量卵石，含量为 6%13.5%，母岩成分较为杂乱，磨圆度较高，多为次圆状，分布厚度2.6m7.9m。5）卵石层。颜色杂乱，稍密至密实状态，卵石含量 55%75%，母岩成分多为花岗岩、灰岩等，磨圆度高，多为次圆状，工程性质较好，分布厚度大于 8.5m。本项目地层条件相对一般，上部土层工程性质较差，因此，分析桩基础施工对临近地下结构稳定性影响是十分必要的。2.2 桩基施工对既有隧道的影响分析桥梁桩基位置临近既有隧道位置，属近接施工，因此，为保障既有隧道的运营安全，分析桥梁桩基施工对其影响显得格外重要。为切实掌握桥梁桩基施工对既有隧道的变形影响，在3 个桥梁桩基施工断面处布设了相应变形监测点，监测点位于既有隧道内，用于监测桩基施工过程中既有隧道的变形规律，且监测项目包括水平位移和竖向位移。在既有隧道监测过程中，按照 1 次/d 的监测频率进行监测，共得到 23 期变形数据，具体详见表 2，C 为竖向位移监测，S 为水平位移监测（见表 2），3 个监测点的竖向位移变化为 11.15mm14.75mm，水平位移变化为 12.48mm15.28mm，两类位移的变形值虽在控制范围内，但也相对较大，侧面说明后续桩基施工对既有隧道影响分级研究的必要性。为进一步掌握既有隧道的变形规律，对 6 个监测点的变形速率特征参数进行统计，在竖向位移监测成果中，K1-C 的最大变形速率为 1.18mm/d，最小变形速率为 0.03mm/d，均值为 0.53mm/d。K2-C 的最大变形速率为 1.45mm/d，最小变形速率为 0.04mm/d，均值为 0.64mm/d。K3-C 的最大变形速率为 1.59mm/d，最小变形速率为 0.03mm/d，均值为 0.48mm/d。在水平位移监测成果中，K1-S 的最大变形速率为 1.23mm/d，最小变形速率为 0.04mm/d，均值为 0.54mm/d。K2-S 的最大变形速率为 1.48mm/d，最小变形速率为 0.04mm/d，均值为0.66mm/d。K3-S 的最大变形速率为 1.80mm/d，最小变形速率为 0.03mm/d，均值为 0.55mm/d。通过对比，各监测点的变形速率均波动较大。2.2.1 现有状态条件下的稳定性影响分级以表 2 中第 23 期变形数据值为基础，计算现有状态条件下的评价指标 X，结果见表 3。竖向位移的 X 指标值为 0.5580.737，其中，K3-C 的稳定性等级为 A 级，其余两个监测点的稳定性等级为 B 级。水平位移的 X 指标值为0.6240.764，3 个监测点的稳定性等级均为 B 级。2.2.2 预测状态条件下的稳定性影响分级在对预测状态条件下的稳定性影响进行分级中，应利用BBO-SVR-CT进行变形预测。统计竖向位移的变形预测结果见表 4。K1-C 的 P 值为 2.06%，K2-C 的 P 值为 2.11%，K3-C的 P 值为 2.17%，均具有较高预测精度，说明 BBO-SVR-CT适用于竖向位移的变形预测。水平位移的变形预测结果见表 5。据表 5，K1-S 的 P 值为 2.13%，K2-S 的 P 值为 2.09%，K3-S 的 P 值为 2.15%，也均具有较高预测精度，进一步说明 BBO-SVR-CT 适用于水平位移的变形预测。图 2 中部支座处的横断面示意图注：K1、K2、K3为桩基。图 1 项目区平面位置关系示意图K1K2K3中国新技术新产品2024 NO.4（上）-106-工 程 技 术表 2 既有隧道的变形监测数据监测周期/dK1-CK2-CK3-CK1-SK2-SK3-S00.000.000.000.000.000.0010.460.080.140.070.580.1620.860.200.430.171.090.4930.940.250.820.211.180.9341.040.350.900.291.301.0351.340.401.320.341.691.5061.370.601.430.511.721.6371.430.742.490.631.802.8381.581.033.070.871.993.4992.452.493.732.103.084.24103.503.903.953.304.404.49114.294.144.303.505.394.89124.945.534.344.686.214.93135.156.804.985.756.465.66145.687.895.626.687.136.39156.679.296.197.868.387.04167.3910.526.228.909.287.07177.9411.456.589.699.977.48188.4711.617.909.8310.648.98198.9512.549.4810.6111.2410.782010.1312.8010.2510.8312.7211.652111.1413.5810.4611.4913.9911.892211.7714.4011.0412.1914.7912.562312.1714.7511.1512.4815.2812.68表 3 现有状态条件下的稳定性影响分级结果监测点指标X值稳定性等级K1-C0.608B级K2-C0.737B级K3-C0.558A级K1-S0.624B级K2-S0.764B级K3-S0.634B级根据表 4 和表 5 的预测结果，统计两类变形在 2426 期的后续变形速率均值，其中，K1-C 的速率均值为 0.12mm/d，K2-C的速率均值为0.18mm/d，K3-C的速率均值为0.17mm/d。K1-S 的速率均值为 0.28mm/d，K2-S 的速率均值为 0.36mm/d，K3-S 的速率均值为 0.21mm/d。水平位移比竖向位移的后续变形速率略大，但均值较小，说明两类变形趋于稳定，并根据两类变形在 26 期的累计变形值，预测状态条件下的评价指标 X，结果见表 6。竖向位移的 X 指标值为 0.5700.750，其中，K3-C 的稳定性等级为 A 级，其余两个监测点的稳定性等级为 B 级。水平位移的 X 指标值为 0.6480.803，其中，K2-S 的稳定性等级为C 级，其余两个监测点的稳定性等级为 B 级。综合上述，对比现有、预测状态下的评价指标 X 值可知，随着时间的推移，X 值略有提高，但各类变形总体趋于稳定方向发展，按不利原则，K1、K3点位处按 B 级进行防治，K2点位处按 C 级进行防治。3 结论通过分析桩基础施工对临近地下结构稳定性影响，得出以下结论。1）在现有状态条件下，竖向位移的 X 指标值为0.5580.737，水平位移的 X 指标值为 0.6240.764。在预测状态条件下，竖向位移的 X 指标值为 0.5700.750，水平位移的X 指标值为 0.6480.803。2）按不利原则，建议 K1、K3点位处按 B 级进行防治，K2点位处按 C 级进行防治。参考文献1 李文静.某桥梁桩基础施工对既有隧道的影响 J.中国新技术新产品，2023（1）：103-105.2 徐利锋，包佳建，金晶晶.深基坑旁侧既有地铁隧道变形影响分析及沉降预测 J.建筑结构，2023，53（增刊1）：2860-2864.3 刘义，朱武卫，杨焜，等.黄土区深大基坑开挖变形预测及邻近既有地铁隧道安全性分析 J.四川建筑科学研究，2021，47（5）：61-70.4 孙佳羽，杜一鸣，郑刚，等.基坑开挖引起邻近既有隧道变形的拟合分析及预测 J.中国港湾建设，2017，37（3）：10-17.5 晏晓红，宋丽，荣延祥.PSO-SVR 优化模型在基坑变形监测预测中的应用 J.地理空间信息，2022，20（12）：53-57.6 詹明强，陈波，刘庭赫，等.基于变权重组合预测模型的混凝土坝变形预测研究 J.水电能源科学，2022，40（9）：115-119.表 4 竖向位移的变形预测结果监测周期/dK1-C变形值/mmK1-C的Mr/mmK1-C的R/%K2-C变形值/mmK2-C的Mr/mm K2-C的R/%K3-C变形值/mmK3-C的Mr/mmK3-C的R/%2010.139.922.1012.8012.542.0310.2510.051.982111.1410.912.0713.5813.282.2110.4610.252.012211.7711.532.0214.4014.092.1411.0410.792.242312.1711.922.0414.7514.452.0511.1510.882.482412.0614.6911.052512.1414.8211.242612.2814.9911.40表 5 水平位移的变形预测结果监测周期/dK1-S变形值/mmK1-S的Mr/mmK1-S的R/%K2-S变形值/mmK2-S的Mr/mmK2-S的R/%K3-S变形值/mmK3-S的Mr/mmK3-S的R/%2010.839.922.0212.7212.452.1411.6511.412.072111.4910.912.0513.9913.702.1111.8911.622.252212.1911.532.2814.7914.492.0612.5612.282.182312.4811.922.1615.2814.972.0312.6812.422.092412.2315.2212.662512.6815.6512.982612.7616.0513.05表 6 预测状态条件下的稳定性影响分级结果监测点指标X值稳定性等级K1-C0.614B级K2-C0.75B级K3-C0.57A级K1-S0.648B级K2-S0.803C级K3-S0.665B级